CN114769879B - 磁控搅拌复合激光焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁控搅拌复合激光焊接装置及方法，其中磁控搅拌复合激光焊接装置主要由激光头和磁控机构构成，所述激光头和磁控机构沿焊接方向分布，且所述激光头位于磁控机构的前方；而所述磁控机构包括搅拌芯、上驱动单元和下驱动单元，上驱动单元和下驱动单元在保证搅拌芯稳定悬浮的情况下，形成电磁场驱动搅拌芯高速旋转。利用激光焊后余热配合搅拌芯的摩擦生热，激发焊缝组织再结晶，达到消除焊缝内部气孔、细化组织、提高接头性能的目的，还具有节能高效、降低成本等优点。

Description

磁控搅拌复合激光焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及焊接技术，具体涉及一种磁控搅拌复合激光焊接装置及方法。
背景技术
钼合金具有熔点高、高温强度高、耐磨性好、导热导电性好、线膨胀系数小以及弹性模量高、抗腐蚀性能好等特点，在国防军工、航空航天、核工业等领域有着不可替代的应用需求。受钼合金本身高热导率、显著的晶粒粗化和脆化倾向的影响，通常采用高功率密度热源对其进行焊接，如激光焊。然而，焊接过程中产生的气孔缺陷和组织粗大等问题，导致激光焊缝的力学性能和耐腐蚀性能急剧降低。为此，需要探索新的焊接方法，达到消除气孔缺陷、细化焊缝组织、提高接头性能的目的，从而进一步推动钼合金的应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种磁控搅拌复合激光焊接装置。本磁控搅拌复合激光焊接装置可令焊缝组织发生动态再结晶，达到消除焊缝内部气孔、细化晶粒的目的。
本发明的另一目的是提供了一种磁控搅拌复合激光焊接方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：本磁控搅拌复合激光焊接装置，包括激光头和磁控机构，所述激光头和磁控机构沿焊接方向分布，且所述激光头位于磁控机构的前方；所述磁控机构包括搅拌芯、上驱动单元和下驱动单元，所述搅拌芯包括旋转芯、上静止磁极和下静止磁极，所述上静止磁极和下静止磁极分别固定于旋转芯的上端和下端；所述上驱动单元包括上电磁驱动器定子、上对中磁极和上悬浮磁极，所述下驱动单元包括下电磁驱动器定子、下对中磁极和下悬浮磁极，所述上悬浮磁极和下悬浮磁极分别与上静止磁极和下静止磁极磁性形成引力和斥力，所述上对中磁极和下对中磁极分别与上静止磁极和下静止磁性形成斥力，所述上电磁驱动器定子和下电磁驱动器定子通电后形成用于驱动搅拌芯转动的电磁场。
优选的，所述上电磁驱动器定子、搅拌芯和下电磁驱动器定子同轴设置。
优选的，所述旋转芯、上静止磁极和下静止磁极同轴设置。
优选的，所述旋转芯的侧壁设有螺纹槽。
磁控搅拌复合激光焊接方法，采用上述的磁控搅拌复合激光焊接装置，包括以下步骤：
S1、在两块对接板的起焊位置加工容纳搅拌芯的容纳槽；
S2、将激光头移动到起焊位置的的上方，将搅拌芯放置在容纳槽内，并将上驱动单元和下驱动单元分别安装于搅拌芯的正上方和正下方；
S3、开启激光焊接电源和磁控焊接电源，启动激光头和使搅拌芯悬浮于激光束后方，且搅拌芯以一定转速旋转，再驱动两块对接板以一定速度沿焊接方向移动，以实现磁控搅拌复合激光焊接。
优选的，所述容纳槽的大小与搅拌芯的大小相等。
优选的，所述搅拌芯的旋转速度为50-3000rpm，两块对接板的移动速度为5-30mm/s。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
1、本发明利用激光焊后余热配合搅拌芯的机械旋转，实现对焊缝的随焊固相处理，从而在消除激光焊缝气孔缺陷的同时，激发动态再结晶细化焊缝组织，达到提高接头性能的目的。
2、与其他电弧复合激光焊接方法相比，本发明不引入过高热输入、避免焊缝二次熔化，而是有效利用激光焊厚余热和少量搅拌芯与被焊工件之间的摩擦热，实现气孔消除和组织细化的目标，具有节能高效、降低成本的优点；与搅拌摩擦焊等固相焊接方法相比，本发明在激光焊后余热的作用下，有效避免了搅拌芯的磨损，因此不仅可用于低熔点材料的焊接，更可以应用于搅拌摩擦焊无法做到的高熔点材料的焊接，应用范围广泛。
3、与传统单一热源焊接方法及复合能场焊接方法相比，本发明搅拌芯的高速旋转可以提高焊缝组织沿厚度方向的均匀性和对称性，使接头在服役过程中均匀变形，在提升强度的同时获得良好的韧性。
附图说明
图1是本发明的磁控搅拌复合激光焊接装置的结构示意图。
图2是本发明的磁控机构的示意简图。
图3是本发明的上驱动单元的俯视图。
图4是本发明的下驱动单元的仰视图。
其中，1为激光头，2为磁控机构，3为搅拌芯，3-1为旋转芯，3-2为上静止磁极，3-3为下静止磁极，4为上驱动单元，5为下驱动单元，4-1为上电磁驱动器定子，4-2为上对中磁极，4-3为上悬浮磁极，5-1为下电磁驱动器定子，5-2为下对中磁极，5-3为下悬浮磁极，6为激光电源，7为磁控电源，8为对接板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示的磁控搅拌复合激光焊接装置，包括激光头和磁控机构，所述激光头和磁控机构沿焊接方向分布，且所述激光头位于磁控机构的前方；所述磁控机构包括搅拌芯、上驱动单元和下驱动单元，所述搅拌芯包括旋转芯、上静止磁极和下静止磁极，所述上静止磁极和下静止磁极分别固定于旋转芯的上端和下端；所述上驱动单元包括上电磁驱动器定子、上对中磁极和上悬浮磁极，所述下驱动单元包括下电磁驱动器定子、下对中磁极和下悬浮磁极，所述上悬浮磁极和下悬浮磁极分别与上静止磁极和下静止磁极磁性形成引力和斥力，所述上对中磁极和下对中磁极分别与上静止磁极和下静止磁性形成斥力，所述上电磁驱动器定子和下电磁驱动器定子通电后形成用于驱动搅拌芯转动的电磁场。
具体的，为保证有效工作，激光头连接有激光电源，而上电磁驱动定子和下电磁驱动定子均与磁控电源连接。如图3和图4所示，上电磁驱动器定子和下电磁驱动器定子均具有三组线圈，三组线圈分别缠绕于三组电磁铁A/
Figure 671070DEST_PATH_IMAGE001
、B/
Figure 971864DEST_PATH_IMAGE002
和C/
Figure 557566DEST_PATH_IMAGE003
，电磁铁A/
Figure 49727DEST_PATH_IMAGE001
、B/
Figure 619248DEST_PATH_IMAGE002
和C/
Figure 712014DEST_PATH_IMAGE003
为与三相交流电相接。当上电磁驱动器定子和下电磁驱动器定子中的三组电磁铁通电后，可形成用于驱动搅拌芯转动的电磁场，以使搅拌芯高速转动，转速可为50-3000rpm；与此同时位于搅拌芯前方的激光头接通电源后产生的激光束对两块对接板进行激光焊接；在焊接过程中，驱动两块对接板移动，从而使激光头和搅拌芯均相对对接板进行同步移动，从而实现磁控搅拌复合激光焊接。具体地，通过电磁场驱动搅拌芯在激光束后方的焊缝内部做高速旋转，利用激光焊后余热和摩擦生热的共同作用，激发焊缝组织再结晶，达到消除焊缝内部气孔、细化组织的目的，从而提高接头性能。如图2所示，所述上悬浮磁极上方S极、下方为N极，上静止磁极上方为S极，则上静止磁极与上悬浮磁极之间形成吸引力；而所述下悬浮磁极上方为N极、下方为S极，下静止磁极下方为N极，则下静止磁极与下悬浮磁极之间形成斥力，从而克服搅拌芯自身的重力，使整个搅拌芯在焊接过程中处于悬浮状态。所述上对中磁极上方为N极、下方为S极，上对中磁极与上静止磁极之间形成斥力；下对中磁极上方为N极、下方为S极，与下静止磁极之间形成斥力，这两组对称的斥力可以克服被焊工件运动带给搅拌芯沿焊接方向的阻力，使搅拌芯在高速旋转的同时保持水平位置不变，实现稳定摩擦焊接。
所述上电磁驱动器定子、搅拌芯和下电磁驱动器定子同轴设置。同轴设置可保证搅拌芯在上电磁驱动器定子和下电磁驱动器定子形成的电磁场中稳定地高速旋转。
所述旋转芯、上静止磁极和下静止磁极同轴设置。此设置进一步提高了整个搅拌芯旋转的稳定性。
所述旋转芯的侧壁设有螺纹槽。螺纹槽可以增强旋转芯周围金属的塑性变形，有利于细化焊缝组织。
磁控搅拌复合激光焊接方法，采用上述的磁控搅拌复合激光焊接装置，包括以下步骤：
S1、在两块对接板的起焊位置加工容纳搅拌芯的容纳槽；
S2、将激光头移动到起焊位置的的上方，将搅拌芯放置在容纳槽内，并将上驱动单元和下驱动单元分别安装于搅拌芯的正上方和正下方；
S3、开启激光焊接电源和磁控焊接电源，启动激光头和使搅拌芯悬浮于激光束后方，且搅拌芯以一定转速旋转，再驱动两块对接板以一定速度沿焊接方向移动，以实现磁控搅拌复合激光焊接。
所述容纳槽的大小与搅拌芯的大小相等。此设计可以保证搅拌针与对接板材之间保持紧密接触，有利于增大摩擦生热。
所述搅拌芯的旋转速度为50-3000rpm，两块对接板的移动速度为5-30mm/s。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.磁控搅拌复合激光焊接装置，其特征在于：包括激光头和磁控机构，所述激光头和磁控机构沿焊接方向分布，且所述激光头位于磁控机构的前方；所述磁控机构包括搅拌芯、上驱动单元和下驱动单元，所述搅拌芯包括旋转芯、上静止磁极和下静止磁极，所述上静止磁极和下静止磁极分别固定于旋转芯的上端和下端；所述上驱动单元包括上电磁驱动器定子、上对中磁极和上悬浮磁极，所述下驱动单元包括下电磁驱动器定子、下对中磁极和下悬浮磁极，所述上悬浮磁极和下悬浮磁极分别与上静止磁极和下静止磁极磁性形成引力和斥力，所述上对中磁极和下对中磁极分别与上静止磁极和下静止磁性形成斥力，所述上电磁驱动器定子和下电磁驱动器定子通电后形成用于驱动搅拌芯转动的电磁场。
2.根据权利要求1所述的磁控搅拌复合激光焊接装置，其特征在于：所述上电磁驱动器定子、搅拌芯和下电磁驱动器定子同轴设置。
3.根据权利要求1所述的磁控搅拌复合激光焊接装置，其特征在于：所述旋转芯、上静止磁极和下静止磁极同轴设置。
4.根据权利要求1所述的磁控搅拌复合激光焊接装置，其特征在于：所述旋转芯的侧壁设有螺纹槽。
5.磁控搅拌复合激光焊接方法，其特征在于：采用权利要求1~4任意一项所述的磁控搅拌复合激光焊接装置，包括以下步骤：
S1、在两块对接板的起焊位置加工容纳搅拌芯的容纳槽；
S2、将激光头移动到起焊位置的上方，将搅拌芯放置在容纳槽内，并将上驱动单元和下驱动单元分别安装于搅拌芯的正上方和正下方；
S3、开启激光焊接电源和磁控焊接电源，启动激光头和使搅拌芯悬浮于激光束后方，且搅拌芯以一定转速旋转，再驱动两块对接板以一定速度沿焊接方向移动，以实现磁控搅拌复合激光焊接。
6.根据权利要求5所述的磁控搅拌复合激光焊接方法，其特征在于：所述容纳槽的大小与搅拌芯的大小相等。
7.根据权利要求5所述的磁控搅拌复合激光焊接方法，其特征在于：所述搅拌芯的旋转速度为50-3000rpm，两块对接板的移动速度为5-30mm/s。
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